大規(guī)模MIMO雙向中繼系統(tǒng)的功率分配

李曉婷

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

大規(guī)模MIMO雙向中繼系統(tǒng)的功率分配

李曉婷

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

在中繼的發(fā)送端和接收端安裝大量天線，可以大大地提高系統(tǒng)性能。提出一種大規(guī)模MIMO雙向中繼架構(gòu)。在每個(gè)相干時(shí)間間隔內(nèi)，信息交換發(fā)生在三個(gè)階段：訓(xùn)練階段、多址階段、廣播階段。在訓(xùn)練階段，中繼通過正交導(dǎo)頻序列對(duì)所有用戶進(jìn)行獨(dú)立的信道估計(jì)。假設(shè)中繼已知不完全信道狀態(tài)信息情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)最小均方差(MMSE)濾波器減輕環(huán)回干擾，采用迫零(ZF)濾波器進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)編碼處理。通過評(píng)估此系統(tǒng)中繼和目的點(diǎn)的誤碼率(BER)，選出最佳的中繼發(fā)送功率，并且提出了一種最佳功率分配算法。在滿足通信對(duì)速率約束條件的情況下，此算法可以算出中繼最小發(fā)送功率。仿真結(jié)果表明，當(dāng)MMSE濾波器和最佳功率分配算法都被采用的時(shí)候，系統(tǒng)將獲得更高的能源效率。

雙向中繼；MIMO；信道估計(jì)；MMSE；迫零；功率分配

0 引 言

目前，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用以及移動(dòng)通信用戶數(shù)量的迅猛增長(zhǎng)，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)雙向中繼技術(shù)，已成為移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)之一[1-3]。無線雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中端到端系統(tǒng)性能取決于時(shí)隙和功率的聯(lián)合分配,以及在非對(duì)稱信道下經(jīng)過資源優(yōu)化分配后,在中繼節(jié)點(diǎn)上采用何種AF/DF/CF機(jī)制[4]。文獻(xiàn)[5]描述了多用戶采用AF轉(zhuǎn)發(fā)中繼的比例公平調(diào)度。在多用戶情況下，考慮子載波配對(duì)的問題，并且闡述了OFDMA中繼網(wǎng)絡(luò)中的GPF調(diào)度幀問題。文獻(xiàn)[6]重點(diǎn)研究了共享中繼網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度和資源分配方面的問題。描述了一個(gè)共享中繼架構(gòu)，以減少無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間干擾。共享中繼架構(gòu)就是具有多個(gè)天線的單個(gè)中繼被放置在小區(qū)的邊緣，并且由多個(gè)扇區(qū)共享。文獻(xiàn)[7]詳述了中繼選擇和資源分配的聯(lián)合優(yōu)化，根據(jù)數(shù)據(jù)速率要求來最小化系統(tǒng)的發(fā)射功率消耗，提高能源效率。

現(xiàn)在大多數(shù)的無線雙向中繼的理論研究仍然局限于兩源節(jié)點(diǎn)和單中繼、多源節(jié)點(diǎn)和單中繼的系統(tǒng)模型[8-10]。這種研究模型已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求。對(duì)于大規(guī)模MIMO和雙向中繼系統(tǒng)相結(jié)合的模型來說,目前對(duì)其的研究國(guó)際上剛處于起步階段,只有少數(shù)文章可參考。文獻(xiàn)[11]詳述了大規(guī)模天線陣列的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)采用導(dǎo)頻序列，進(jìn)行信道估計(jì)的兩種方案。文獻(xiàn)[12]研究了MIMO雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中源和中繼的天線選擇問題，提出兩個(gè)相似的最優(yōu)算法：JRSAS和SRSAS。這兩種算法都可以接近最佳窮舉搜索(ES)算法，而且顯著減少了計(jì)算復(fù)雜度。

下一代網(wǎng)絡(luò)的基本思想是基站通過使用大量的天線，可以服務(wù)于更多的用戶和設(shè)備。此研究涉及到各種信號(hào)處理技術(shù)，如信道建模和估計(jì)，預(yù)編碼和檢測(cè)算法。文中提出一種大規(guī)模MIMO雙向中繼架構(gòu)，所有用戶都具有一個(gè)獨(dú)立的天線，而中繼節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)非常大的天線陣列。信息交換發(fā)生在三個(gè)階段：訓(xùn)練階段、多址階段、廣播階段。通過在訓(xùn)練階段的導(dǎo)頻序列使中繼對(duì)所有用戶進(jìn)行獨(dú)立的信道估計(jì)。采用迫零ZF濾波器進(jìn)行檢測(cè)、預(yù)編碼，線性處理抑制環(huán)回干擾。提出一種最佳功率分配算法，減小了發(fā)送功率，降低了誤碼率，提高了能源利用率和系統(tǒng)的整體性能。

1 系統(tǒng)模型

MIMO雙向中繼系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 MIMO雙向中繼系統(tǒng)

考慮兩組用戶u1、u2，每組包含K個(gè)單線用戶，中繼含有Nrx根接收天線和Ntx根發(fā)送天線(K?Nrx,Ntx)。x的第k個(gè)用戶和y的第k個(gè)用戶只通過中繼相互傳輸信息。

1.1 信道估計(jì)

向量X是源點(diǎn)到中繼發(fā)送的符號(hào)，向量t是中繼到目的點(diǎn)發(fā)送的波束成形符號(hào)，假定這些向量是取自一個(gè)M-QAM星座且輸出信號(hào)是規(guī)范的、不相關(guān)的。因此，每個(gè)源點(diǎn)的發(fā)送功率獨(dú)立于K，中繼的總發(fā)送功率獨(dú)立于Ntx。中繼和目的點(diǎn)接收的符號(hào)向量分別是：

(1)

(2)

由于源點(diǎn)到中繼和中繼到目的點(diǎn)的符號(hào)傳輸都經(jīng)過一個(gè)MIMO信道，所以

(3)

其中，D1、D2是一個(gè)對(duì)角矩陣，服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，表示大規(guī)模信道的影響;H1、H2服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,表示快衰落信道。

為了有效地應(yīng)用檢測(cè)，預(yù)編碼和干擾消除技術(shù)，必須進(jìn)行信道估計(jì)。中繼通過采用訓(xùn)練階段的導(dǎo)頻序列對(duì)所有用戶進(jìn)行獨(dú)立的信道估計(jì)，然后使用迫零ZF濾波器處理接收信號(hào)。假設(shè)所有通信鏈路共享同一時(shí)頻資源，采用TDD傳輸模式。在一個(gè)相干時(shí)間間隔內(nèi)，信息交換發(fā)生在三個(gè)階段：訓(xùn)練階段、多址階段、廣播階段，如圖2所示。

圖2 三個(gè)階段

在訓(xùn)練階段，每個(gè)用戶分配一個(gè)τ長(zhǎng)度的導(dǎo)頻序列，所有用戶同時(shí)發(fā)送導(dǎo)頻序列到中繼，所以中繼接收的導(dǎo)頻矩陣為：

(3)

中繼根據(jù)用戶發(fā)送的導(dǎo)頻矩陣進(jìn)行信道估計(jì)，用于信號(hào)處理。

(4)

1.2 檢測(cè)和預(yù)編碼

(5)

(6)

1.3 環(huán)回干擾(Loopback Interference,LI)

(7)

若Ftx固定，則

(8)

由式(7)所提供的解決方案對(duì)應(yīng)于文獻(xiàn)[13]中的零空間投影，但是一般找到針對(duì)大規(guī)模陣列的解決方案是困難的。與此相反，式(8)是一個(gè)封閉的表達(dá)式，包含信道估計(jì)、發(fā)送向量的協(xié)方差矩陣和噪聲。根據(jù)所考慮的模型，給定一組參數(shù)，可以預(yù)測(cè)端到端的誤碼率：若中繼具有較低的發(fā)送功率pR，會(huì)降低環(huán)回干擾功率、減少估計(jì)誤差的影響和射頻損傷；若中繼具有較高的發(fā)送功率pR，會(huì)提高信噪比(SNR)，降低誤碼率(BER)。因此，當(dāng)固定源點(diǎn)的發(fā)送功率時(shí)，若使得端到端的BER最小，pR的選擇很重要。

2 功率分配

中繼受到的干擾主要取決于它的發(fā)送功率，并且直接影響了端到端的性能。因此，找到滿足系統(tǒng)要求的最佳功率很重要。

考慮每個(gè)鏈路的可達(dá)速率，文獻(xiàn)[14]中提到源點(diǎn)和目的點(diǎn)之間的發(fā)送鏈路速率：

Rk=min{R1,k,R2,k}

(9)

其中，R1,k表示源點(diǎn)和中繼之間的可達(dá)速率；R2,k表示中繼和目的點(diǎn)之間的可達(dá)速率。

檢測(cè)前，中繼接收的信號(hào)為：

(10)

其中，g1,k表示G1的第k列。

檢測(cè)前，目的點(diǎn)接收的信號(hào)為：

(11)

以上兩式均可看作是期望的信號(hào)加上不相關(guān)的等效噪聲(信道衰落、通信對(duì)之間的干擾、環(huán)回干擾、高斯噪聲)。

文中的目的是在保證達(dá)到每個(gè)通信對(duì)期望速率的條件下，計(jì)算最優(yōu)的源點(diǎn)和中繼的發(fā)送功率。另外，還要滿足峰值功率約束，考慮整體功耗。也就是說，既要保證系統(tǒng)的能源效率最大，又要保證總功率最小：

(12)

其中，R0,k表示通信對(duì)k要求達(dá)到的速率；pS0,k表示通信對(duì)k要求達(dá)到的峰值功率；pR0表示中繼的峰值功率。

為了取得源和中繼的最佳功率，提出一個(gè)簡(jiǎn)單有效的基于線性規(guī)劃的迭代算法。

步驟1：第一次迭代i=1，L是迭代次數(shù)上限，Nit是每次迭代信道實(shí)現(xiàn)的數(shù)目。系統(tǒng)要求源點(diǎn)和中繼達(dá)到的峰值功率為:

pS,k,1=pS0,k，pR,1=pR0

步驟2：計(jì)算Nit個(gè)信道的統(tǒng)計(jì)信息。首先，生成信道矩陣G1,G2，LI信道矩陣HLI，ZF濾波器的傳輸矩陣和預(yù)編碼矩陣WZF,AZF；然后，聯(lián)合pS,k,i,pR,i計(jì)算前置濾波器Frx；最后，計(jì)算所有通信對(duì)的可達(dá)速率R1,k和R2,k。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中常用中心極限定理近似等效噪聲項(xiàng)為高斯噪聲項(xiàng)[15]，因此R1,k和R2,k的近似值是：

R1,k=log2(1+

(13)

(14)

獲取信道統(tǒng)計(jì)信息的平均值，解決系統(tǒng)能源效率最大且源點(diǎn)和中繼總功率最小的問題(見式(12))，得出新的pS,k,i,pR,i。

步驟3：給源點(diǎn)和中繼的峰值功率重新賦值(見式(15))，進(jìn)行再一次迭代，直到i=L結(jié)束。

pS,k,i+1=pS,k,i,pR,i+1=pR,i,i=i+1〗

(15)

3 系統(tǒng)仿真分析

圖3 端到端的BER

圖4 系統(tǒng)能源效率

4 結(jié)束語

文中提出一種大規(guī)模MIMO雙向中繼架構(gòu)，所有用戶都具有一個(gè)獨(dú)立的天線，而中繼節(jié)點(diǎn)配備有一個(gè)非常大的天線陣列。中繼采用兩個(gè)濾波器：ZF濾波器進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)編碼處理；MMSE濾波器抑制環(huán)回干擾。通過對(duì)端到端BER的分析，可以選擇一個(gè)最佳的中繼功率分配。與平均功率分配算法進(jìn)行比較，該算法顯著提高了能源效率。

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Power Allocation of Massive MIMO Two-way Relay System

LI Xiao-ting

(College of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

The system performance can be greatly increased when the relay is equipped with a large number of antennas on both transmitter and receiver.A massive MIMO two-way relaying architecture is presented.Within each coherence interval,the information exchange occurs in three phases including the training phase,the multiple-access phase,and the broadcast phase.In the training phase,the relay estimates the channels based on pilots transmitted from the users and the pilot sequences assigned for all users in both groups are pairwisely orthogonal.It assumes the relay knows imperfect channel state information and designs a Minimum Mean-Square Error (MMSE) filter to reduce the interference.Then,Zero-Forcing (ZF) filters is adopted for both detection and precoding.The system performance is evaluated in terms of Bit Error Rate (BER) at both relay and destinations.An optimal power allocation algorithm is put forward that computes the minimum power that satisfies the rate constraints of each pair.Simulation results show that when both MMSE filtering and optimal power allocation algorithm are used,the system achieves higher energy efficiency.

two-way relay;MIMO;channel estimation;MMSE;zero-forcing;power allocation

2016-04-06

2016-08-10

時(shí)間：2017-01-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372125，61401234)

李曉婷(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橄乱淮ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170110.1019.054.html

TP302

A

1673-629X(2017)02-0143-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.02.032